PV3D Culling & Clipping

 

今天来谈谈3D开发中的两个重要知识点Culling(剔除)和Clipping(切分)。

左图表示一个完整的3D渲染流程，可以看到Culling和Clipping处理发生在投射计算和渲染计算之前。

Culling过程是用于剔除不需要参与渲染的物体和三角面，从而达到节约资源的目的。一般来说Culling分为以下4种：

1. Frustum culling：视锥剔除，PV3D里最重要的剔除方式，下面详述。
2. Back-face culling：当面背对相机时候剔除，由PV3D自动执行。
3. Contribution culling：当物体在画面上过小情况下的剔除，PV3D里面没有这种机制，但是可以用远平面(camera.far)来剔除。
4. Occlusion culling：包藏剔除，适用于一个物体完全被另一个物体遮挡的情况，PV3D不包含这种机制。

Frustum culling在PV3D中分两种：分别是基于camera(相机)和基于viewport(视口)的。

使用以下代码开启基于相机的剔除功能（DebugCamera是默认开启的）：

camera.useCulling = true;

通过查看do3d.culled属性可以知道物体是否被剔除。要注意这种剔除机制是针对整个物体(do3d)计算的，只有当整个物体完全不在视锥内，才会被剔除。

另一种基于视口的剔除在PV3D中是默认开启的，也可以用以下代码来制定：

viewport.autoCulling = true;

这种剔除机制是基于面(triangle)的，任何超过视口平面的矩形渲染区的三角面都不会被渲染。

注意：如果物体的某些面超过了近平面(camera.near)，那么即使视口剔除是关闭的，超过的面也会被剔除。

我们可以通过查看PV3D状态视图中给出的信息，来了解一下剔除的实际作用，在左图中的COb、CTr分别代表了被剔除的物体和三角面。

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了解了剔除机制，那么Clipping又是什么呢？试想一下，如果物体的某些面超出了视锥（比如镜头进入一个球体内部，必定有部分面是处于近平面的后方而被剔除的）。如果被剔除的三角面有部分顶点是在视口内部的，就会出现破面的问题（如下图左边黑色的区域）。

Clipping是用切分面的方法（通过计算三角面与视锥平面之间的交点来生成新的三角面）来解决由于culling产生的破面问题。在PV3D中Clipping是通过FrustumClipping类来实现的：

ender.clipping = new FrustumClipping(FrustumClipping.ALL);

该类需要的唯一参数表示视锥的某些面。视锥的每个面都可以参与计算Clipping，但是这么做资源耗费很大，一般情况下只要计算近平面Clipping就足够了：

ender.clipping = new FrustumClipping(FrustumClipping.NEAR);

通过下面两张图可以对比一下两种计算方式的差别：

ALL：

NEAR：

两种计算方式都解决了破面问题，可以看到仅使用近平面Clipping的方式效率更高一些。

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虽然我们通过Culling减轻了渲染计算量，但是也带来了破面的副作用。然后又通过Clipping计算来解决这个问题，只要设置合理，还是能节约大量的 CPU资源。记住上面提到过的在PV3D中超过近平面的三角面是确定一定以及肯定会被剔除的，所以在某天你肯定会遇到破面的问题，在你打开 Clipping功能前，考虑以下三个建议：

1. 优先考虑仅近平面Clipping，大部分情况下足够了。
2. 如果可以肯定某物体不会超出视锥范围，可以设置其useClipping属性为 false来排除计算。
3. 配合设置camera.useCulling = true。记住在一个渲染流程中，Culling在Clipping之前检测。如果整个物体都被剔除，那么也就没必要检测基于面的Clipping了。只有当物体与视锥相交时才有必要计算Clipping。

参考资料：

• http://blog.zupko.info/?p=170
• Papervision 3D Essential